Faraday Kafesi Nedir?

Yıldırım, saniyenin binde biri kadar kısa bir sürede on binlerce amperlik akımın bir yoldan boşalmasıdır. Bu enerjiyi durdurmak ya da yönünü değiştirmek mümkün değildir. Yapılabilecek tek şey, deşarjın izleyeceği yolu önceden hazırlamak ve akımı insanlara, yapıya ve elektronik sistemlere zarar vermeden toprağa taşımaktır. Faraday kafesi, bu fikrin en eski ve en çok sınanmış uygulamasıdır. Adını 19. yüzyılda elektrostatik ekranlama prensibini ortaya koyan İngiliz bilim insanı Michael Faraday‘den alır.

 

İlginizi Çekebilir: Nötr Toprak Arası Gerilim Nedenleri

Prensip: iletken bir kabuk, içeride sakin bir hacim

Faraday 1836 yılında metal bir kafesin içine girip dışarıdan yüksek gerilim uygulattığında, kafesin dışında şiddetli deşarjlar oluşmasına rağmen içeride hiçbir etki gözlenmedi. Sebep basittir: iletken bir kabuğa yük uygulandığında bu yük yüzeyde dağılır ve kabuğun içinde kalan hacimde elektrik alan sıfıra yaklaşır. Otomobilin içinde yıldırıma yakalanan bir sürücünün zarar görmemesinin nedeni de budur.

Bir binayı tamamen metal bir kabukla kaplamak elbette pratik değildir. Bunun yerine, yapının dış yüzeyi boyunca belirli aralıklarla örülen iletken bir ağ kullanılır. Yeterince sık örülmüş bu ağ, kapalı bir kabuğun yaptığı işi yeterli yaklaşıklıkla yerine getirir. Yapı üzerinde kurulan bu iletken örgüye, prensibin isim babasına atfen Faraday kafesi denir.

Faraday kafesi hangi bileşenlerden oluşur?

Sistem tek bir üründen değil, birbiriyle bütünleşik çalışan dört ana katmandan meydana gelir. Bu katmanlardan biri eksik ya da hatalı yapıldığında sistemin tamamı görevini yapamaz.

Yakalama sistemi, çatıda ve yapının en dışta kalan noktalarında konumlandırılan pasif yakalama uçları ile çatı yüzeyi boyunca örülen iletken ağdan oluşur. Çatı kenarları, mahyalar, köşeler ve baca, anten, klima ünitesi, asansör kulesi gibi çıkıntılar deşarjın en olası düştüğü noktalardır ve ayrı ayrı koruma altına alınır.

İniş iletkenleri, yakalanan akımı çatıdan toprağa taşır. Burada kritik olan sayıdır. Akım tek bir iletken yerine çok sayıda paralel yol arasında paylaşıldığında her bir iletkenden geçen akım, dolayısıyla üretilen manyetik alan ve yan atlama riski belirgin biçimde azalır. İniş iletkenleri cephe boyunca mümkün olduğunca simetrik dağıtılır, keskin dönüşlerden ve gereksiz uzunluktan kaçınılır.

Topraklama sistemi, akımın zemine güvenli biçimde yayıldığı katmandır. Temel topraklaması ya da yapı çevresini dolaşan halka topraklama tercih edilir. Yapıdaki elektrik topraklaması, haberleşme topraklaması ve yıldırım topraklaması ayrı ayrı kurulmamalı, tek bir ortak sistemde birleştirilmelidir.

İlginizi Çekebilir: Yıldırım Risk Analizi

Eşpotansiyel kuşaklama ise sistemin en çok ihmal edilen ama en belirleyici parçasıdır. Su ve doğalgaz boruları, kablo kanalları, havalandırma kanalları, yapı donatısı ve tesise giren tüm enerji ile veri hatları ana eşpotansiyel baraya bağlanır. Amaç, deşarj anında yapının her noktasının aynı potansiyele çıkmasını sağlamak ve iki metal parça arasında ölümcül bir gerilim farkı oluşmasını önlemektir.

Standart ne diyor?

Ülkemizde ve dünyanın büyük bölümünde yıldırımdan korunma sistemleri, dört bölümden oluşan IEC 62305 standardına göre tasarlanır. Standardın Türkçeye uyarlanmış hâli TS EN 62305 olarak yürürlüktedir. Bölümler sırasıyla genel ilkeleri, risk yönetimini, yapıdaki fiziksel hasara karşı korumayı ve elektrik-elektronik sistemlerin korunmasını kapsar.

Standart, tasarıma doğrudan bir ürün seçimiyle başlanmasına izin vermez. Önce risk analizi yapılır. Yapının kullanım amacı, içinde bulunan insan sayısı, yanıcı veya patlayıcı madde barındırıp barındırmadığı, bulunduğu bölgenin yıldırım yoğunluğu, çevresindeki yapıların gölgeleme etkisi ve hizmet kesintisinin doğuracağı kayıp gibi başlıklar hesaba girer. Analizin sonucunda yapı için I ile IV arasında bir koruma düzeyi belirlenir. Bundan sonraki bütün ölçüler bu düzeye bağlıdır.

Tablodan da görüleceği gibi koruma düzeyi I’e çıkıldıkça kafes gözü küçülür, iniş iletkenleri sıklaşır ve yuvarlanan kürenin yarıçapı azalır. Yani koruma sıkılaştıkça sistem, yapıyı daha ince bir ağla sarar.

Yuvarlanan küre ve kafes yöntemi birlikte kullanılır

Yakalama uçlarının nereye konulacağı gelişigüzel belirlenmez. Yuvarlanan küre yönteminde, koruma düzeyine karşılık gelen yarıçapta hayalî bir küre yapının üzerinde yuvarlanır. Kürenin temas ettiği her nokta, deşarjın çarpabileceği noktadır ve korunması gerekir. Kürenin değmediği hacimler ise korunmuş bölge sayılır. Günümüzde bu çalışma üç boyutlu modelleme yazılımlarıyla yapıldığı için karmaşık çatı geometrilerinde bile korumasız kalan bölge bırakılmaz.

Kafes yöntemi ise geniş ve düz çatılarda devreye girer. Çatı yüzeyi, koruma düzeyine uygun göz aralığında bir iletken ağla bölünür. Uygulamada bu iki yöntem çoğu zaman birlikte kullanılır: düz alanlar ağ ile taranır, çıkıntılı ve kritik noktalar yuvarlanan küre analizine göre ayrıca yakalama uçlarıyla korunur.

Ayırma mesafesi ve yan atlama

Deşarj anında iniş iletkeni üzerinde çok yüksek bir gerilim oluşur. Bu iletken, yakınından geçen bir su borusuna ya da kablo tavasına yeterince uzak değilse, akım aradaki havayı delerek yapı içine atlayabilir. Yan atlama olarak adlandırılan bu olay, yangınların ve elektronik cihaz kayıplarının başlıca sebeplerindendir. Standart, iniş iletkeni ile metal parçalar arasında bırakılması gereken en küçük mesafeyi hesaplamak için bir ayırma mesafesi formülü tanımlar. Gerekli mesafe fiziken sağlanamıyorsa, ilgili metal parça eşpotansiyel bağlantı ile sisteme dâhil edilir. Bu hesabın atlanması, saha uygulamalarında en sık karşılaşılan tasarım hatasıdır.

Faraday kafesi hangi tesislerde öne çıkar?

Faraday kafesinin belirleyici özelliği, yıldırımı çekmek ya da davet etmek üzere kurgulanmamış olmasıdır. Sistem herhangi bir iyon üretmez, çevresindeki elektrik alanı değiştirmez. Yalnızca deşarj gerçekten o yapıya yöneldiğinde devreye girer ve akıma hazırlanmış bir yol sunar. Bu davranış, birkaç tesis tipinde ciddi bir avantaja dönüşür.

Güneş enerjisi santralleri bunların başında gelir. Geniş alana yayılmış metal konstrüksiyon, panel çerçeveleri ve uzun DC hatları yıldırım akımına ve endüklenen aşırı gerilimlere açık bir yapı oluşturur. Çok noktalı yakalama ve akımı paylaştıran iniş iletkeni düzeni, bu tesislerde inverter ve panel kayıplarını azaltır.

Yanıcı ve patlayıcı madde bulunduran tesisler ikinci grubu oluşturur. Akaryakıt terminalleri, kimya tesisleri, boya ve solvent depoları, silo ve un fabrikalarında tek bir kıvılcım kabul edilemez bir sonuç doğurur. Bu tesislerde patlayıcı ortam sınıflandırması ile yıldırımdan korunma tasarımının birlikte ele alınması gerekir.

Veri merkezleri, hastaneler, havalimanları ve haberleşme tesisleri de bu listede yer alır. Buralarda yapının kendisi kadar, içindeki elektronik sistemin kesintisiz çalışması da korunması gereken bir değerdir. Kafes yapısının yarattığı ekranlama etkisi, deşarj sırasında iç hacimde oluşan manyetik alanı düşürerek hassas ekipmanın maruz kaldığı stresi azaltır.

İlginizi Çekebilir: IEC 62305-2 Yıldırım Risk Analizi

Diğer yakalama yöntemlerinden farkı

IEC 62305, dış yıldırımlık tasarımı için yuvarlanan küre yöntemini, kafes yöntemini ve yakalama uçlarından oluşan düzeni tanımlar. Ülkemizde yaygın olarak kullanılan bir diğer yaklaşım ise standardın kapsamında yer almaz; Fransız kökenli NFC 17-102 standardı temel alınarak uygulanan, erken akış başlatmalı yakalama uçlu sistemlerdir. Bu yaklaşımda tek bir yakalama ucunun, konumuna ve seçilen koruma seviyesine bağlı olarak on metrelerce yarıçapta bir alanı koruduğu varsayılır ve çatının köşe noktalarına ayrıca yakalama ucu konulmadan sistem tamamlanır. Kabulün geçerliliği hem ulusal hem uluslararası platformlarda tartışılmaya devam etmektedir. İki yaklaşımın değişmeyen ortak noktası, her ikisinin de mutlaka bir risk analizine dayanması ve tek başına dış korumanın yeterli sayılmamasıdır.

Maliyet tarafında Faraday kafesi, kullanılan malzeme miktarının fazlalığı nedeniyle ilk bakışta daha pahalı görünür. Ancak bu karşılaştırma çoğu zaman yanlış kurgulanır. Standart, iletken malzemesi olarak bakır kullanımını ya da pahalı özel aparatları zorunlu tutmaz. Belirleyici olan, seçilen bileşenlerin ilgili malzeme standartlarına uygun, test raporlu ve tesisin bulunduğu ortama dayanıklı olmasıdır. Sıcak daldırma galvanizli çelik veya alüminyum çözümlerle, aynı koruma düzeyi çok daha makul bir bütçeyle sağlanabilir.

Sahada sık karşılaşılan uygulama hataları

Kurulmuş sistemlerin denetiminde tekrar eden birkaç hata öne çıkar. İniş iletkeni sayısının koruma düzeyinin gerektirdiğinden az bırakılması, çatıya sonradan eklenen klima ünitesi, anten ve baca gibi ekipmanların korumasız kalması, elektrik ve yıldırım topraklamalarının ayrı sistemler olarak kurulup birleştirilmemesi, ayırma mesafesi hesabının hiç yapılmaması bunların başında gelir. Bakır iletkenin galvanizli yüzeye doğrudan bağlanması gibi farklı metallerin temas ettiği noktalarda galvanik korozyon birkaç yıl içinde bağlantıyı işlevsiz hâle getirir. Ölçüm yapılabilmesi için gerekli test klemenslerinin konulmaması ise sistemin sonradan denetlenmesini imkânsızlaştırır. Bu hataların ortak sebebi genellikle aynıdır: projesiz, tecrübeye dayalı montaj.

İlginizi Çekebilir: Paratoner Nedir?

Dış koruma tek başına yeterli değildir

Bir yapıya düşen yıldırım akımı dış yıldırımlık sistemi tarafından toprağa aktarılırken, aynı anda enerji ve veri hatları üzerinde binlerce voltluk geçici aşırı gerilimler endüklenir. Deşarj yapıya doğrudan düşmese bile, yakındaki bir çarpma ya da orta gerilim hattındaki bir olay aynı sonucu doğurur. Bu nedenle dış korumanın yanına iç yıldırımlık katmanı eklenmelidir. Ana panodan başlayarak tali panolara ve cihaz girişlerine kadar kademeli olarak yerleştirilen aşırı gerilim koruma cihazları, dış sistemin toprağa taşıdığı enerjinin elektronik tarafa sıçrayan kısmını sınırlar. Uygulamada cihaz kayıplarının büyük bölümü, dış sistemi kurulmuş ancak iç koruması ihmal edilmiş tesislerde yaşanır.

Kurulum sonrası: bakım ve periyodik kontrol

Yıldırımdan korunma sistemi kurulduğu gün doğru çalışıyor olsa bile, zamanla bozulan bir sistemdir. Çatıdaki bağlantı elemanları gevşer, farklı metallerin temas ettiği noktalarda galvanik korozyon başlar, toprak elektrotunun yayılma direnci zemin nemine ve korozyona bağlı olarak değişir. Çatıya sonradan eklenen bir klima ünitesi ya da anten, korunmuş bölgenin dışında kalabilir. Bu nedenle sistemin görsel muayenesi, bağlantı sürekliliği ölçümü ve topraklama direnci ölçümü belirli aralıklarla tekrarlanmalı, sonuçlar raporlanarak kayıt altına alınmalıdır.

Özetle

Faraday kafesi, yapının dış yüzeyini iletken bir ağla sararak yıldırım akımına çok sayıda kontrollü yol açan, standartlarla tanımlanmış bir korunma yöntemidir. Doğru sonucu vermesi risk analiziyle başlayan, koruma düzeyine uygun ölçülerle tasarlanan, ayırma mesafeleri hesaplanan ve ortak topraklama ile eşpotansiyel kuşaklamayı ihmal etmeyen bir mühendislik çalışmasına bağlıdır. Malzeme seçimi de bu çalışmanın parçasıdır; kullanılan bileşenlerin ilgili malzeme standartlarına uygun ve test raporlu olması, sistemin ilk yıldırımda beklendiği gibi davranmasını belirler.

Yıldırımdan Korunma Merkezi olarak tesisinizin risk analizi, yıldırımdan korunma projelendirmesi, ürün seçimi ve keşif süreçlerinde yanınızdayız. Ücretsiz keşif ve tasarım desteği için bizimle iletişime geçebilirsiniz.